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集塵機は、工業プロセスや商業プロセスから排出される空気中の粉塵粒子やその他の不純物を空気やガスから収集することで、空気の質を向上させるために使用されるシステムです。大量の粉塵を処理するように設計された集塵機システムは、送風機、集塵フィルター、フィルター洗浄システム、および集塵容器または集塵システムで構成されています。使い捨てフィルターを使用して粉塵を除去する空気清浄機とは異なります。
集塵機の父はリューベック出身の製粉技師、ヴィルヘルム・ベトであった。 [ 1 ] 1886年、彼は「自動洗浄機能付き吸引ホースフィルター」で特許番号38396を取得した。[ 2 ] 彼は19世紀後半に産業機械から発生する粉塵に対抗するため、粒子収集システムを発明した。これは、粒子をろ過して粉塵を捕集する真空システムを作ることで実現した。1887年、ベトはWFLベト機械工場を設立し、同社は空気中の粒子を捕集する分野で世界的な先駆者となった。[ 3 ]
1921年、彼は空気中の塵を除去するために先駆的に開発した3つのフィルター設計の特許を取得した。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
集塵装置は、多くのプロセスにおいて、プロセス流体から貴重な粒状固体や粉末を回収したり、大気中に放出する前に排ガスから粒状固体汚染物質を除去したりするために使用されます。集塵は、プロセスで発生する粉塵を発生源から連続的に収集するオンラインプロセスです。集塵装置は、単体構造のものもあれば、プロセス空気から微粒子状物質を分離するために使用される複数の装置の集合体もあります。これらは、大気汚染防止装置として、大気質の維持または改善によく使用されます。
ミストコレクターは、空気中の微細な液滴状の微粒子を除去します。金属加工油や冷却液、オイルミストなどの回収によく用いられます。ミストコレクターは、作業環境の空気質を改善または維持するために広く利用されています。
ヒューム・スモークコレクターは、空気中のサブマイクロメートルサイズの微粒子を除去するために使用されます。溶接、ゴム・プラスチック加工、冷却剤を用いた高速機械加工、焼き戻し、焼入れなど、多くの工業プロセスから発生する微粒子やガス流を効果的に低減または除去します。
集塵システムは、捕集、搬送、収集という基本原理に基づいて動作します。
まず、粉塵を捕集または除去する必要があります。[ 7 ]これは、粉塵の発生源で粉塵を捕集する捕集フードなどの装置を使用して行われます。多くの場合、粉塵を発生させる機械には、ダクトを直接接続できるポートがあります。
第二に、粉塵を搬送する必要があります。これは、適切なサイズとマニホールドを備えたダクトシステムによって行われ、粉塵を浮遊状態に保ち、集塵装置まで搬送するために必要な一定の最小風速を維持します。ダクトのサイズが適切でないと、ダクトシステム内に粉塵が沈殿して詰まる可能性があります。
最後に、粉塵が回収されます。回収方法は用途や処理する粉塵の種類によって様々です。単純な通過型フィルター、サイクロン式分離器、衝突式バッフルなどから、電気集塵機、多段式バグハウス、化学処理を施した湿式スクラバーやストリッピングタワーといった複雑な装置まであります。
小型の集塵システムは、単段式真空ユニットを使用して吸引と空気ろ過を行います。この際、廃棄物はインペラに吸い込まれ、袋、樽、または容器などの容器に排出されます。空気は、より小さな粒子を捕捉するフィルターを通過した後、作業場に再循環されます。
大型システムでは2段階システムが採用されており、サイクロンやバッフル付きキャニスターなどの前処理装置を用いて大きな粒子と微細な粉塵を分離した後、インペラを通して空気を吸引します。これらの装置から排出された空気は、屋外に排出することも、ろ過して作業空間に再循環させることもできます。
集塵システムは、多くの場合、作業場の天井に取り付けられた大型浮遊粒子ろ過装置や作業員が着用するマスクシステムなどを含む、より大規模な空気質管理プログラムの一部となっています。空気ろ過装置は、空気中に浮遊する微粒子（2～10マイクロメートル）を除去するために、大量の空気を処理するように設計されています。マスクは、シンプルな綿製のフェイスマスクから、タンク式空気供給装置を備えた高度な呼吸器まで、さまざまな種類があり、その必要性は作業環境によって決まります。
産業分野では、加工装置への粉塵の蓄積を防ぐために、円形または長方形のダクトが使用される。
慣性分離器は、遠心力、重力、慣性力などの複数の力を組み合わせて、ガス流から粉塵を分離します。これらの力によって粉塵は、ガス流による力が最小限となる領域へと移動します。分離された粉塵は重力によってホッパーに運ばれ、そこで一時的に保管されます。
慣性分離器の主な種類は以下の3つです。
沈殿槽もバッフル槽も、鉱物処理業界では一般的に使用されていません。しかし、それらの動作原理は、より効率的な集塵装置の設計にしばしば取り入れられています。
沈降室（または沈殿室）[ 8 ]は、ダクト内に設置された大きな箱で構成されています。室内の断面積が増加すると、粉塵を含んだ気流の速度が低下し、重い粒子が沈降します。
沈殿槽は構造がシンプルで、ほぼあらゆる材料から低コストで製造でき、運転に水を必要としません。しかし、設置スペースが大きく効率も低いため、一次集塵装置として使用されることは稀です。実用的な用途としては、集塵効率を高めるための前処理装置として利用することが挙げられます。
バッフルチャンバーは、固定されたバッフルプレートを使用して搬送ガス流の方向を急激に変化させます。大径粒子はガス流に追従せず、デッドエアスペースに入り込んで沈降します。バッフルチャンバーは前処理装置として使用されます。[ 9 ]
遠心式集塵機は、遠心分離機（遠心システム）をベースとしており、サイクロン作用を利用してガス流から粉塵粒子を分離します。一般的なサイクロンでは、粉塵ガス流が斜めに流入し、高速回転します。円形の流れによって生じる遠心力により、粉塵粒子はサイクロンの壁に向かって投げ出されます。壁に衝突した粒子は、下部に設置されたホッパーに落下します。
サイクロン分離器は、パルプ・製紙工場、セメント工場、製鉄所、石油コークス工場、冶金工場、製材所など、粉塵を処理するあらゆる種類の施設を含む、あらゆる種類の電力および産業用途で使用されています。
シングルサイクロン分離器は、粗い粉塵と細かい粉塵を分離するために二重の渦流を生成します。メインの渦流は下向きに螺旋状に流れ、粗い粉塵粒子の大部分を運びます。サイクロンの底部付近に発生する内側の渦流は上向きに螺旋状に流れ、細かい粉塵粒子を運びます。
多重サイクロン分離器は、図に示すように、並列に動作する複数の小径サイクロンで構成され、共通のガス入口と出口を備えています。動作原理は単一サイクロン分離器と同じで、外側に下降渦、内側に上昇渦を発生させます。多重サイクロン分離器は、個々のサイクロンの長さが長く直径が小さいため、単一サイクロン分離器よりも多くの粉塵を除去します。
二次空気流分離器は、サイクロンに二次空気流を注入することで、いくつかの効果を発揮します。二次空気流はサイクロン運動の速度を速め、分離器の効率を高めます。また、粒子が装置の内壁に到達する前に捕捉し、分離された粒子を収集エリアへと押し出します。さらに、二次空気流は分離器を粒子による摩耗から保護し、分離された粒子を下方へ移動させるのに重力に頼る必要がないため、分離器を水平に設置することが可能になります。
一般的にバグハウスとして知られる布製集塵機は、ろ過によって粉塵粒子を粉塵ガスから分離します。これらは入手可能な集塵機の中で最も効率的で費用対効果の高いタイプの1つであり、非常に細かい粒子に対して99%以上の集塵効率を達成できます。[ 10 ]
粉塵を含んだガスはバグハウスに入り、フィルターとして機能する布製の袋を通過します。これらの袋は、織物またはフェルト状の綿、合成繊維、あるいはガラス繊維素材でできており、筒状または封筒状の形状をしています。
液体を使用する集塵装置は、湿式スクラバーと呼ばれます。これらのシステムでは、洗浄液（通常は水）が粉塵粒子を含むガス流と接触します。ガス流と液体流の接触面積が大きいほど、粉塵除去効率が高くなります。
湿式スクラバーには様々な種類がありますが、いずれもガス加湿、ガス・液体接触、ガス・液体分離の3つの基本構成のいずれかを備えています。接触方式に関わらず、液体と粉塵をできるだけ多く除去する必要があります。接触が起こると、粉塵粒子と水滴が結合して凝集塊を形成します。凝集塊が大きくなると、集塵器に沈降します。
スプレータワー式湿式スクラバーは、圧力損失によって以下のように分類できます。
市販されているスクラバーの種類が非常に多いため、ここでは個々のタイプをすべて説明することはできません。しかし、以下のセクションでは、各カテゴリーの代表的なスクラバーの例を紹介します。
静電集塵機は、静電気の力を利用して排気ガスから粉塵粒子を分離します。接地された集塵電極の間に、複数の高電圧直流放電電極が配置されています。汚染されたガスは、放電電極と集塵電極によって形成された通路を流れます。静電集塵機は、家庭用「イオン式」空気清浄機と同じ原理で動作します。
空気中の粒子は、電極間の電離場を通過する際に負の電荷を帯びる。これらの帯電した粒子は、接地された電極または正に帯電した電極に引き寄せられ、そこに付着する。
中央集塵機とは異なり、ユニット集塵機は汚染源で汚染を制御します。小型で一体型であり、ファンと集塵装置で構成されています。ビンやサイロ、遠隔地のベルトコンベア移送ポイントなど、粉塵が発生する場所、移動式の場所、または頻繁に移動する場所に適しています。ユニット集塵機の利点としては、設置スペースが小さく、集塵した粉塵を主要な材料の流れに戻せること、初期費用が低いことなどが挙げられます。しかし、粉塵の保持・保管容量、保守設備、メンテナンス期間は、ユニット集塵機に比べて劣ります。
様々な設計があり、処理能力は毎分200～2,000立方フィート（毎秒90～900リットル）の範囲です。 ユニットコレクターには主に2つのタイプがあります。
鉱物処理工程では、高い集塵効率と洗浄サイクル間の排気流の途切れがないことから、布製集塵機がよく使用されます。一方、木工、金属研削、機械加工など、より粗い粉塵が発生する場合は、サイクロン式集塵機が使用されます。
ユニットコレクターを選定する際には、以下の点を考慮する必要があります。
粉塵発生箇所が中央排気システムの設置に適した場所にある場合、ユニット型集塵機の使用は適切ではない可能性があります。多くのユニット型集塵機は、粉塵除去とメンテナンスに費用がかかり、大型の単体集塵機に比べてメンテナンスが怠られやすい傾向があります。
集塵システムの選定と設計に影響を与える要因には、以下のようなものがあります。
ファンとモーターのシステムは、粉塵発生源から集塵機へ汚染された空気を移動させるための機械エネルギーを供給する。
産業用ファンには主に2種類あります。
遠心ファンは、シャフトに取り付けられたホイールまたはローターが、渦巻き状のハウジング内で回転する構造になっています。空気はローターのアイから流入し、直角に方向転換した後、遠心力によってローターのブレードを通過し、渦巻き状のハウジング内に送り込まれます。この遠心力によって空気に静圧が生じます。また、渦巻きの広がった形状によって、速度圧の一部が静圧に変換されます。
遠心ファンには主に3つの種類があります。
軸流ファンは、抵抗レベルの低いシステムで使用されます。これらのファンは、ファンの回転軸に平行に空気を移動させます。プロペラのねじのような動きにより、空気は直線状に平行に流れ、らせん状の気流パターンが生じます。
軸流ファンの主な種類は以下の3つです。
ファンを駆動するために必要なエネルギーを供給するために、電動モーターが使用されます。
モーターは、プロセス条件（温度と流量）の全範囲にわたってファンを動作させるのに十分な動力を供給できるように選定されます。
集塵機は、以下の5つの一般的なタイプに分類できます。
集塵機の仕様を決定する上で重要なパラメータには、空気流量（真空発生装置によって生成される空気の流れの速度）、システム出力（システムモーターの出力、通常は馬力で表される）、粉塵や粒子の貯蔵容量、および装置によってろ過される最小粒子サイズなどがあります。集塵システムを選択する際のその他の考慮事項としては、温度、水分含有量、および収集される粉塵の燃焼の可能性などが挙げられます。
微粒子除去システムには、フィルターバッグやカートリッジなどの単一のろ過システムのみが含まれる場合もあります。しかし、ほとんどのユニットは一次および二次分離／ろ過システムを採用しています。多くの場合、粉塵の熱や水分含有量は、バグハウス式またはカートリッジ式集塵機のフィルター媒体に悪影響を与える可能性があります。これらのユニットの前にサイクロン分離器または乾燥器を設置して、フィルターに到達する前に熱や水分含有量を低減することができます。さらに、一部のユニットには第3段階および第4段階のろ過機能がある場合もあります。ユニット内で使用されるすべての分離およびろ過システムを明記する必要があります。
バグハウスとは、大きな布製の袋を通してガス流をろ過することで微粒子を捕集する、大気汚染対策装置である。一般的にはガラス繊維または布でできている。
サイクロン分離器は、空気またはガス中に懸濁している微粒子を遠心分離によって分離するための装置である。
静電集塵機は、空気清浄機の一種で、粉塵を含んだ空気を強力な（50～100kV）静電場に通すことで、粉塵粒子に電荷を与えます。これにより、粒子は反対の電荷を帯びた電極板に引き寄せられ、空気の流れから除去されます。
インピンジャーシステムは、エアロゾル粒子を液体に衝突させることで粒子を除去する装置です。モジュール式メディアタイプのユニットは、さまざまな特定のフィルターモジュールを1つのユニットに組み合わせたものです。これらのシステムは、多くの空気汚染問題に対する解決策を提供できます。一般的なシステムには、使い捨てまたは洗浄可能なプレフィルター、使い捨てのVバッグまたはカートリッジフィルターが組み込まれています。HEPAまたはカーボンの最終フィルターモジュールを追加することもできます。吊り下げ式またはダクト式設置、垂直または水平設置、固定式またはポータブル構成など、さまざまなモデルが用意されています。フィルターカートリッジはさまざまな合成繊維で作られており、システム内で過度の圧力損失を発生させることなく、サブミクロンサイズの粒子を捕集することができます。フィルターカートリッジは定期的な洗浄が必要です。
湿式スクラバー、またはベンチュリスクラバーは、サイクロンに似ていますが、オリフィスユニットを備えており、サイクロン部の渦流に水を噴射し、粉塵をスラリー状に集めます。水媒体は再循環させて再利用することで、空気のろ過を継続できます。最終的には、固形物を水流から取り除き、廃棄する必要があります。
オンラインクリーニング– フィルターの自動タイマー洗浄により、粉塵量の多い作業環境でも集塵機を中断することなく連続運転できます。
オフラインクリーニング– 集塵機の停止中にフィルタークリーニングを実施します。各集塵サイクルにおける粉塵負荷がフィルター容量を超えない場合に有効です。粉塵の除去と処理において最大限の効果を発揮します。
オンデマンドクリーニング– フィルターが完全に目詰まりしたと判断された場合、フィルタークリーニングが自動的に開始されます。これは、ろ材表面の圧力が規定値まで低下したことによって判断されます。
逆パルス/逆噴射洗浄– フィルターのきれいな側から圧縮空気を噴射して、蓄積したダストケーキを剥がすフィルター洗浄方法。
衝撃式/ラッパー式フィルター洗浄– 柔軟なチューブを通して高速の圧縮空気を送り込むことで、フィルターをランダムに叩き、付着した粉塵を剥がすフィルター洗浄方法。特に粉塵が非常に細かい場合や粘着性が高い場合に効果的です。
適切な集塵と空気ろ過は、あらゆる作業スペースにおいて重要です。木粉への繰り返し曝露は、慢性気管支炎、肺気腫、「インフルエンザ様」症状、および癌を引き起こす可能性があります。木粉には化学物質や真菌が含まれていることが多く、これらが空気中に浮遊して肺の奥深くに付着し、病気や損傷を引き起こす可能性があります。[ 12 ] [ 13 ]
もう一つの懸念は、粉塵爆発の可能性です。
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